Внутреннее ядро планеты Земля

Внутреннее ядро планеты по геофизическим данным представляется твердым и, по бытующим воззрениям, имеет плотность порядка 12 г/см3. В рамках наших построений оно представлено гидридами металлов, среди которых резко преобладают кремний и магний (см. табл. 1). В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные по сжимаемости гидридов при давлении порядка миллиона атмосфер и более (давление во внутреннем ядре от 3 до 3,6 мегабара). Я надеюсь, что они появятся в связи с моими публикациями. И в этих будущих экспериментах следует учитывать, что гидриды достаточно нестойкие вещества и могут разлагаться на фронте ударной волны (от резкого термического нагрева). Кроме того, они достаточно активно реагируют с влагой атмосферы, а некоторые при контакте с влажным воздухом взрываются. Поэтому следует предусмотреть сборку опытов в сухой инертной атмосфере и лучше направить свои усилия для создания статического сжатия.

 

И все же давайте обсудим некоторые аспекты сжимаемости кристаллических тел, и гидридов в их числе. Вдруг обнаружится что-нибудь принципиально важное?

 

В условиях всестороннего (гидростатического) сжатия в кристаллических телах сначала закрываются поры и микротрещины, затем происходит трансформация кристаллической решетки до плотнейшей упаковки. Но когда эти возможности исчерпаны, а давление растет, то дальнейшее уплотнение происходит из-за уплотнения самих атомов (из-за уменьшения атомных радиусов). При этом наблюдается четкая корреляция чем более рыхлой является внешняя электронная оболочка атома, тем больше сжимаемость. В процессе сопоставления данных под «рыхлостью» мы принимали объем, приходящийся на электрон внешней оболочки, и, естественно, чем больше этот объем, тем больше рыхлость. Чемпионами в этом плане являются щелочные металлы, у них только один электрон во внешней оболочке, которая занимает внешнюю половину радиуса атома. Поэтому щелочные металлы обладают гораздо большей сжимаемостью по сравнению с другими элементами.

 

Здесь важен один момент, который обсудим на примере калия. У этого элемента объем, занимаемый внешним электроном, примерно в 5 раз больше того объема, в котором ютятся остальные 18 его электронов. При давлении в 100 кбар калий уплотняется в 2 раза, а при 200 кбар — только в 2,3 раза. При еще больших давлениях кривая вообще «выходит на плато» (см. рис. 6) и даже при давлении в 500 кбар уплотнение вряд ли будет больше 2,5 раз. Это ограничение на сжимаемость обусловлено тем, что при сокращении объема внешней оболочки ее электрон входит в кулоновское взаимодействие с внутренними электронными оболочками, которые полностью заполнены и практически несжимаемы.

Однако у гидрид-иона (протон с двумя электронами) нет внутренних оболочек. Это и есть то самое «принципиально важное», что отличает ионные гидриды по сжимаемости от всех других кристаллических тел. Итак, в ионных гидридах остов кристаллической решетки сложен из гидрид-ионов, в которых отсутствуют внутренние электронные оболочки, и поэтому ионные гидриды должны обладать аномально высокой сжимаемостью. Это полностью подтверждается экспериментальными данными (см. рис. 6). И буквально «бросается в глаза» то, что градиент сжимаемости гидрида калия остается постоянным (постоянно высоким!) вплоть до давлений в 250 кбар (далее к сожалению нет данных).

 

 

012312 1942 136411 Внутреннее ядро планеты Земля

Рис. 6. Сжимаемость калия в виде металла и гидрида в условных единицах. За единицу принята плотность калия при нулевом давлении.

 

Кроме того, при одной атмосфере плотность гидрида калия в 1,7 раза больше плотности калия-металла. Казалось бы, парадоксальное явление, металл поглощает сотни объемов водорода на один свой объем и при этом не только не разбухает, а, напротив, существенно уплотняется. И это уплотнение происходит не за счет добавления атомов водорода в кристаллическую решетку, а в связи с уменьшением расстояний между атомами металла в решетке гидрида в сравнении с исходной металлической. Причина данного явления в электростатическом (катионно-анионном) сжатии решетки ионных гидридов, которое деформирует легко сжимаемые гидрид-анионы, сокращая тем самым расстояния между центрами металлических атомов.

 

012312 1942 136421 Внутреннее ядро планеты Земля

Рис. 7.Характер трансформации кристаллической решетки ионного гидрида в условиях сверхвысоких давлений: знаками «-» помечены гидрид-анионы, знаками «+» помечены катионы металлов.

 

Аномальная сжимаемость гидрид-иона позволяет предположить, что в условиях мегабарного диапазона давлений гидрид-ионы будут иметь столь малые размеры, что плотнейшую упаковку ионного остова решетки будут создавать катионы металла, тогда как многократно сжатые гидрид-ионы займут пустоты (октаэдрические, тетраэдрические) между ними (рис. 7). Образование такой конструкции означает достижение предела сжимаемости ионных гидридов. При переходе Mg → Mg2+ радиус уменьшается от 1,6 до 0,66 ангстрема; у кремния, при Si → Si2+, от 1,34 до 0,55 ангстрема. При этих значениях плотность магния и кремния в виде ионных гидридов может увеличиться в 14 раз (это в пределе и в условиях сверхвысоких давлений).

В стандартных условиях плотности кремния и магния -2,33 г/см3 и 1,74 г/см3. Если эти значения умножить на 14, то получим плотности (соответственно 32,62 г/см3 и 24,36 г/см3), превышающие плотность внутреннего ядра в центре планеты (12,46 г/см3). Это показывает, что в рамках нашей модели Земли с гидридным внутренним ядром высокая плотность последнего не представляется неразрешимой проблемой. Скорее проблема в том, что внутреннее ядро имеет недостаточно высокую плотность.

 

В таблице № 2 приведен список элементов, которые уплотняются в виде гидридов в стандартных условиях (при комнатной температуре и атмосферном давлении). Приведенные здесь гидриды принято называть ионными. Однако расчеты показывают, что даже в солеобразных гидридах щелочных металлов тип связи имеет промежуточный ионно-ковалентный характер и связь является ионной лишь на 30 — 45%. Наиболее ионным из перечисленных является гидрид цезия. У цезия максимальная разница с водородом по электроотрицательности, и весьма показательно, что именно он обладает максимальным уплотнением в виде гидрида (при атмосферном давлении).

 

Таблица № 2

Уплотнение металлов в виде ионных гидридов при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Плотность 

LiH 

NaH 

KH 

RbH 

CsH 

CaH2

SrH2

BaH2

EuH2

YtH2

Металла, г/см3

0,53 

0,97 

0,86 

1,53 

1,90 

1,55 

2,60 

3,50 

5,24 

7,01 

Гидрида, г/см3

0,82 

1,40 

1,43 

2,59

3,42 

1,90 

3,26 

4,21 

5,90 

7,96 

Уплотнение,

% 

52,8 

43,8 

65,8 

69,2 

80,0 

22,6 

25,4 

22,0 

12,5 

13,5 

 

Вместе с тем, по нашей оценке, в составе планеты резко преобладают кремний, магний и железо. Эти элементы мало отличаются от водорода по электроотрицательности, и поэтому их гидриды имеют ковалентный тип химической связи и соответственно меньшую плотность в сравнении с плотностью металлов (отсутствует катионно-анионное сжатие решетки). Однако это при давлении в одну атмосферу. Теперь мы знаем об аномально высокой сжимаемости гидрид-аниона, и знаем так же, что в условиях повышения давления все большую устойчивость приобретают наиболее плотные фазы. Отсюда однозначный вывод: в условиях повышения давления характер химической связи в гидридах должен становится все более ионным, с тем чтобы могла реализоваться по максимуму потенциальная способность гидрид-иона к уплотнению.

Энергетический аспект. Изменение характера химической связи — процесс всегда энергоемкий, и эта энергоемкость измеряется сотнями килоджоулей на моль, т.е. для насильственной трансформации ковалентной связи в ионную необходимы большие энергетические затраты. Откуда поступала эта энергия? Выше (в разделе 4) уже упоминалось, что «в случае изначально гидридного состава потенциальная энергия, выделявшаяся при гравитационном уплотнении планеты, не приводила к ее разогреву, а преимущественно расходовалась на преобразование химических соединений в недрах Земли». Оценим эту энергию, выделявшуюся при гравитационном уплотнении изначально гидридной Земли. Допустим кремний уплотнялся от 2.33 г/см3 (плотность кремния при одной атм.) до 12.4 г/см3 (плотность внутреннего ядра). Предположим, что это уплотнение происходило в интервале давлений от 0 до 1 мегабара и что градиент уплотнения на всем интервале давлений был постоянным. Предположение о постоянном градиенте уплотнения не меняет сути явления, но очень упрощает счет, который показывает выделение энергии порядка 500 кДж/моль. Допустим, то же самое уплотнение происходило в интервале давлений от нуля до 2-х мегабар, тогда выход энергии был бы порядка 1000 кДж/моль. Таким образом, те самые «сотни килоджоулей на моль», необходимые для трансформации химической связи, получались автоматом в самом процессе уплотнения изначально гидридной Земли в связи с реализацией потенциальной энергии гравитационного сжатия планеты.

Эта энергия, запасенная в гидридах на стадии формирования твердого тела планеты, впоследствии являлась основным энергетическим источником тектонической активности планеты. Но об этом мы будем говорить позже.


Найти на unnatural: Внутреннее ядро планеты Земля
Автор: admin | 24 Январь 2012 | 937 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100